本發(fā)明涉及冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法。

背景技術(shù)：

冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)技術(shù)是推動多能源微網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)，冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)作為除了供給本地電力負荷外，還承擔起本地的供冷和供熱任務(wù)，能夠進一步提高微網(wǎng)運行的經(jīng)濟、環(huán)境效益。冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)通過燃氣輪機等發(fā)電設(shè)備，將天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，并進一步轉(zhuǎn)化為電能向用戶供電，同時，利用做過功的熱量或者余熱(比如高溫煙氣，缸套熱水等)通過制冷和制熱設(shè)備向用戶供冷和供熱。冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)實現(xiàn)了能量的梯級利用，提高了一次能源的轉(zhuǎn)換效率，在新興工業(yè)園區(qū)的能量供應(yīng)方面得到了廣泛應(yīng)用。冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)運行中，隨著用能負荷的不斷變化，其運行狀態(tài)跟著變化，因而必須實時監(jiān)視和判斷微網(wǎng)中各元件的運行狀態(tài)是否滿足安全要求，這可通過冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的能量流計算來得到其實時的運行狀態(tài)。因此，在給定的系統(tǒng)運行條件下，如何執(zhí)行冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的能量流計算，以得到整個冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的運行狀態(tài)，是一個亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

參看圖1，冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流計算是已知供冷網(wǎng)的冷負荷、供熱網(wǎng)的熱水負荷和供電網(wǎng)的電負荷，在給定冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)中各元件連接關(guān)系及元件參數(shù)的前提下，求解整個冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的能量分布，如供電網(wǎng)的支路功率和節(jié)點電壓、供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)的管道流量和節(jié)點溫度，及能源站內(nèi)部發(fā)電功率、制冷功率和制熱功率的分配等，以獲得整個冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的運行狀態(tài)。

目前，已有的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流計算方法，常采用將供冷網(wǎng)、供熱網(wǎng)和供電網(wǎng)的方程聯(lián)立起來求解的統(tǒng)一計算方法。由于模型是非線性代數(shù)方程組，常采用牛拉法進行迭代求解。統(tǒng)一計算方法將具有不同物理特性的網(wǎng)絡(luò)方程一起求解，不但計算復雜度高，而且收斂性較差，計算時間也較長。因此，如何根據(jù)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)對冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算，既簡化計算，又提高計算速度，亟需提出合理的計算方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法，根據(jù)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)僅在能源站和負荷存在著耦合環(huán)節(jié)而中間的供冷網(wǎng)、供熱網(wǎng)、供電網(wǎng)相互獨立的特點，將冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流計算解耦成供冷網(wǎng)能量流計算、供熱網(wǎng)能量流計算、供電網(wǎng)潮流計算和能源站內(nèi)部能量流計算4個部分，并根據(jù)供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)的放射性結(jié)構(gòu)特點采用前推回代法進行供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)的能量流計算，既降低了計算復雜度，又顯著提高了計算速度。

為達到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明公開一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法，應(yīng)用于能源站的燃氣發(fā)電機、電制冷機、吸收式制冷機、余熱鍋爐、換熱機組和電熱鍋爐的三聯(lián)供機組，其對于每個電網(wǎng)的負荷節(jié)點對應(yīng)有一個供冷節(jié)點和一個供熱節(jié)點，包括步驟如下：

步驟S1,將冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流解耦為供冷網(wǎng)能量流、供熱網(wǎng)能量流、供電網(wǎng)潮流和能源站內(nèi)部能量流；

步驟S2，采用前推回代法獲取供冷網(wǎng)絡(luò)的冷量和溫度分布，從而得到供冷網(wǎng)能量流；

步驟S3，采用前推回代法獲取供熱網(wǎng)絡(luò)的熱量和溫度分布，從而得到供熱網(wǎng)能量流；

步驟S4，計算負荷側(cè)和能源站的各個循環(huán)泵消耗的電功率，更新負荷節(jié)點的電力負荷，并進行供電網(wǎng)絡(luò)的潮流計算；

步驟S5，進行能源站內(nèi)部能量流的計算，獲得燃氣發(fā)電機的總有功出力，以及電制冷機和電熱鍋爐消耗的電功率。

本發(fā)明的一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法相比現(xiàn)有技術(shù)，具有如下效果：

1)將冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流計算解耦成供冷網(wǎng)能量流計算、供熱網(wǎng)能量流計算、電網(wǎng)潮流計算和能源站能量流計算4個部分，既降低了計算復雜度，又顯著提高了計算速度；

2)采用前推回代法進行供冷網(wǎng)計算和供熱網(wǎng)計算，進一步簡化計算并提高計算速度；

3)供電網(wǎng)潮流計算部分可利用已有的計算程序，不需要額外編寫程序代碼。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法的步驟圖。

圖3為本發(fā)明的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法的具體流程框圖。

圖4為本發(fā)明實施例的某園區(qū)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)。

圖5為圖4冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的供電網(wǎng)各節(jié)點電壓幅值。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部實施例。

本發(fā)明擬提出一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法，該方法根據(jù)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)僅在能源站和負荷存在著耦合環(huán)節(jié)而中間的供冷網(wǎng)、供熱網(wǎng)、供電網(wǎng)相互獨立的特點，將冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流計算解耦成供冷網(wǎng)能量流計算、供熱網(wǎng)能量流計算、供電網(wǎng)潮流計算和能源站內(nèi)部能量流計算4個部分，并根據(jù)供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)的放射性結(jié)構(gòu)特點采用前推回代法進行供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)的能量流計算，既降低了計算復雜度，又顯著提高了計算速度。另外，供電網(wǎng)潮流計算部分可利用已有的成熟的計算程序，不需要額外編寫程序代碼。

參看圖2和圖3，本發(fā)明的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流解耦計算的流程圖：

本發(fā)明提出一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)能量流的解耦計算方法，其具體過程如下：

首先，采用前推回代法進行供冷網(wǎng)絡(luò)的冷量和溫度分布計算，如下：

a1)設(shè)定負荷側(cè)的風機盤管進水溫度初值為令k＝0；

a2)根據(jù)風機盤管的模型式(1)，得到負荷節(jié)點冷水流量的計算公式(2)，從而計算各個負荷節(jié)點的冷水流量

φ_c.j＝c_wm_cq.j(T_cr.j-T_cw.j) (1)

式中，φ_c.j為風機盤管的冷負荷功率，m_cq.j為流過風機盤管的冷水流量，T_cw.j為換熱器的進水溫度，T_cr.j為換熱器的回水溫度，c_w為水的比熱容。

a3)根據(jù)各個節(jié)點的冷水流量，以及區(qū)域供冷管網(wǎng)的管道連接關(guān)系求出供水側(cè)各段管道的流量

a4)由供水側(cè)各段管道的流量，根據(jù)供冷管網(wǎng)的溫升模型式(3)，從冷源側(cè)開始，根據(jù)已知的冷源側(cè)供水溫度T_cw.source，計算求得各個供冷節(jié)點的溫度，即風機盤管進水溫度更新值

式中，T_ip為管道進水溫度，T_op為管道出水溫度，λ為管道單位長度傳熱系數(shù)，L為管道長度，Ta為環(huán)境溫度，m_j為管道流量。

a5)利用更新后的風機盤管進水溫度令k＝k+1，重復步驟a2)、a3)和a4)，直到滿足第一收斂條件ε為預先給定的小正數(shù)，即可求出各負荷節(jié)點供水側(cè)的溫度和冷水流量；

a6)由收斂后的負荷節(jié)點的冷水流量，根據(jù)管道溫降溫升模型式(3)和溫度混合模型式(4)，求出回水側(cè)的各節(jié)點溫度和冷源回水側(cè)節(jié)點的溫度T_cr.source，并由式(5)確定冷源側(cè)的總供冷需求：

Σ(m_inT_in)＝(Σm_out)T_out (4)

φ_c.total＝c_wm_c.s(T_cr.source-T_cw.source) (5)

式中，m_in和m_out分別為流入和離開節(jié)點的流體流量，T_in和T_out分別為混合前流入節(jié)點的各流體溫度和混合后的流體溫度；φ_c.total為冷源側(cè)的總供冷需求，T_cw.source為冷源側(cè)制冷機的設(shè)定供水溫度。

其次，采用前推回代法進行供熱水網(wǎng)絡(luò)的熱量和溫度分布計算，如下：

b1)設(shè)定負荷側(cè)的換熱器進水溫度初值令k＝0；

b2)由換熱器的模型(6)，得到負荷節(jié)點熱水流量的計算公式(7)，從而計算各個負荷節(jié)點的熱水流量

φ_h.j＝c_wm_hq.j(T_hw.j-T_hr.j) (6)

式中，φ_h.j為換熱器的熱負荷，m_hq.j為流過換熱器的熱水流量，T_hw.j為換熱器的進水溫度，T_hr.j為換熱器的回水溫度。

b3)根據(jù)各個節(jié)點的熱水流量以及區(qū)域供熱管網(wǎng)的管道連接關(guān)系求出供水側(cè)各段管道的流量

b4)由供水側(cè)各段管道的流量，根據(jù)供熱管網(wǎng)的溫降模型式(3)，從熱源側(cè)開始，根據(jù)已知的熱源側(cè)供水溫度T_hw.source，計算求得各個供熱節(jié)點的溫度，即換熱器進水溫度更新值

b5)利用更新后的換熱器進水溫度令k＝k+1，重復步驟b2)、b3)和b4)，直到滿足第二收斂條件即可求出各負荷節(jié)點供水側(cè)的溫度和熱水流量；

b6)由收斂后的負荷節(jié)點的熱水流量，根據(jù)管道溫降溫升模型式(3)和溫度混合模型式(4)，求出回水側(cè)的各節(jié)點溫度和熱源回水側(cè)節(jié)點的溫度T_hr.source，并由式(8)確定熱源側(cè)的總供應(yīng)熱水需求：

φ_h.total＝c_wm_h.s(T_hw.source-T_hr.source) (8)

式中，φ_h.total為熱源側(cè)的總熱水需求，T_hw.source為熱源側(cè)供水溫度。

接著，進行供電網(wǎng)絡(luò)的潮流計算，如下：

c1)根據(jù)收斂后的負荷節(jié)點的冷水流量和熱水流量，由式(9)計算負荷側(cè)和能源站的循環(huán)水泵消耗的電功率：

式中，P_pump.j和P_pump,N為使用工況和額定工況下循環(huán)水泵消耗的電功率，m_q.N為額定工況下循環(huán)水泵的流量。

c2)假定循環(huán)泵負荷按照額定功率因數(shù)運行，因而可由式(10)計算并更新帶循環(huán)水泵的負荷節(jié)點的電力負荷：

式中，P_j和Q_j分別為未更新前負荷節(jié)點的有功功率和無功功率，P_pump.cjVP_pump.hj分別為負荷側(cè)供冷循環(huán)水泵和供熱循環(huán)水泵消耗的電功率，和分別為冷負荷和熱負荷循環(huán)水泵的額定功率因數(shù)角；

同時，可由式(11)計算得到能源站的循環(huán)泵消耗的電功率：

式中，P_pump.cs和P_pump.hs分別為能源站供冷循環(huán)水泵和供熱循環(huán)水泵消耗的電功率，和分別為能源站供冷和供熱循環(huán)泵的額定功率因數(shù)角。

3)對供電網(wǎng)絡(luò)進行潮流計算。當給定了配電網(wǎng)供給微網(wǎng)的有功功率，則以配電網(wǎng)與微網(wǎng)的邊界節(jié)點為PV節(jié)點，燃氣發(fā)電機端為平衡節(jié)點，通過潮流計算即可得到能源站中燃氣發(fā)電機供給除電制冷機和電熱鍋爐外的其他所有電力負荷的總有功需求P_es。

最后，進行能源站內(nèi)部能量流計算，得到燃氣發(fā)電機的總有功出力：

設(shè)定能源站燃氣發(fā)電機的總有功出力為P_G，燃氣發(fā)電機效率采用三次模型，公式為：

式中，η_G為燃氣發(fā)電機的效率，a、b、c和d分別為燃氣發(fā)電機的發(fā)電效率系數(shù)，為燃氣發(fā)電機的發(fā)電功率和額定發(fā)電功率的比值。進而求出燃氣發(fā)電機輸出的余熱功率φ_w：

φ_w＝P_G·(1-η_G)/η_G (13)

由φ_w按照一定比例α_water和比例α_smoke分配得到熱水型吸收式制冷機φ_water和煙氣型吸收式制冷機輸入的余熱功率φ_smoke，即：

φ_water＝φ_w·α_water (14)

φ_smoke＝φ_w·α_smoke (15)

在冷源側(cè)，熱水型吸收式制冷機和煙氣型吸收式制冷機的制冷功率分別為：

φ_c1＝COP₁·φ_water·η_hrs1 (16)

φ_c2＝COP₂·φ_smoke·η_hrs2 (17)

式中，COP₁和COP₂分別為熱水型和煙氣型制冷機的熱力系數(shù)，η_hrs1和η_hrs2分別為熱水和煙氣回收的效率。

依據(jù)離心式電制冷機的制冷功率式(18)和冷源側(cè)的冷負荷平衡式(19)，

φ_c3＝COP₃·P_e.cold (18)

φ_c.total＝φ_c1+φ_c2+φ_c3 (19)

式中，COP₃為離心式電制冷機制冷水工況的熱力系數(shù)，P_e.cold為離心式電制冷機消耗的電功率。

聯(lián)立式(12)～(19)即求得離心式電制冷機消耗電功率關(guān)于燃氣發(fā)電機總有功出力的表達式P_e.cold(P_G)。

在熱源側(cè)，熱水型吸收式制冷機出來的低溫缸套水用于制熱水，換熱機組(換熱器)輸入的熱功率為φ_water·(1-η_hr1)，則換熱機組(換熱器)的制熱功率為

φ_h1＝η_hr3·φ_water·(1-η_hr1) (20)

電熱鍋爐的制熱功率為

φ_h2＝η_H·P_H (21)

式中，η_H為電熱鍋爐的效率，P_H為電熱鍋爐消耗的電功率。

依據(jù)冷源側(cè)的熱水負荷的平衡公式

φ_h.total＝φ_h1+φ_h2 (22)

聯(lián)立式(12)～(14)和式(20)～(22)即可求得電熱鍋爐消耗電功率關(guān)于燃氣發(fā)電機總有功出力的表達式P_H(P_G)。

通過求解下面方程得到燃氣發(fā)電機的總有功出力P_G、離心式電制冷機消耗的電功率P_e.cold和電熱鍋爐消耗的電功率P_H。

P_G＝P_es+P_e.cold(P_G)+P_H(P_G) (23)

仿真試驗驗證

以某園區(qū)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)作為算例，其冷熱電網(wǎng)和能源站設(shè)備接線如圖2所示。其中，供冷網(wǎng)包括12個節(jié)點，11段管道；供熱網(wǎng)包括12個節(jié)點，11段管道；供電網(wǎng)包括54個節(jié)點，78個支路；能源站內(nèi)部包括有燃氣發(fā)電機、余熱鍋爐、煙氣型吸收式制冷機、熱水型吸收式制冷機、離心式電制冷機、電熱鍋爐、換熱機組以及用于供冷和供熱的循環(huán)水泵。

給定ε＝10^-10，根據(jù)前推回代法，分別對供冷網(wǎng)和供熱網(wǎng)進行能量流計算，總共用時0.000535秒。供冷網(wǎng)的能量流計算經(jīng)過3次迭代收斂，得到供冷網(wǎng)各變量值如表1～3所示；同時計算得到，供冷網(wǎng)的損耗率僅為0.317％，所占比重較小，這主要是由于供冷網(wǎng)管道流量較大，使得管道的溫升較小，從而使冷損耗較小。供熱網(wǎng)的能量流計算經(jīng)過10次迭代收斂，得到供熱水側(cè)變量如表4～6所示；同時計算得到，供熱網(wǎng)的損耗率為4.668％，高于供冷網(wǎng)的損耗率，這主要是由于供熱網(wǎng)中管道流量較供冷網(wǎng)要小，而且供熱網(wǎng)的熱水與外部環(huán)境的溫差較大，使得管道的溫降較大，從而使熱損耗較大。

表1供冷管道流量

表2各供冷節(jié)點溫度

表3供冷負荷風機盤管溫升和循環(huán)泵耗電功率

表4供熱管道流量

表5各供熱節(jié)點溫度

表6熱水負荷換熱器溫降和循環(huán)泵耗電功率

供電網(wǎng)絡(luò)潮流計算采用牛頓-拉夫遜法，給定收斂精度為10^-10，經(jīng)過6次迭代收斂，得到的各節(jié)點電壓幅值如圖5所示?？梢钥吹?，除了平衡節(jié)點(54節(jié)點)和PV節(jié)點(53節(jié)點)外，各節(jié)點幅值的標幺值均在0.95～1.04范圍內(nèi)，符合規(guī)定的安全運行范圍。

能源站內(nèi)部能量流計算得到的各變量值如表7～10所示，由表7可知，兩組吸收式制冷機利用發(fā)電余熱制冷，提供了52.81％的冷負荷需求，這部分制冷功率若利用式(18)換算成電制冷機制冷，相當于節(jié)約了將近7MW電功率；由表8可知，換熱機組利用低溫缸套水制熱水，提供了84.48％的熱水負荷需求，這部分制熱功率若利用式(19)換算成電熱鍋爐制熱水，相當于節(jié)約了多達16.41MW的電功率。由表9可知，在外部配電網(wǎng)供給微網(wǎng)的有功功率固定為30MW的情況下，能源站承擔了61.87％的系統(tǒng)總有功需求；由表10可知，能源站內(nèi)部主要制冷制熱用電設(shè)備的有功消耗占能源站燃氣機組有功出力的23.95％，可見供冷和供熱設(shè)備要消耗相當大的一部分電能。

表7能源站供冷側(cè)變量值

表8能源站供熱側(cè)變量值

表9能源站發(fā)電機組和與配電網(wǎng)邊界節(jié)點處的變量值

表10能源站主要耗電設(shè)備的耗電功率

如果采用牛頓-拉夫遜法對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量流進行統(tǒng)一計算求解，設(shè)定的收斂精度為10^-10，經(jīng)過迭代14次收斂，用時0.110776秒。解耦計算方法和統(tǒng)一計算方法的結(jié)果對比如表11～14所示，由表11和表12可知，兩種方法對供冷網(wǎng)的計算結(jié)果相差不大，兩種方法得到的供冷網(wǎng)的供水側(cè)溫度的相對誤差絕對值在10^-4以下，而管道流量的相對誤差絕對值在10^-2以下。由表13和表14可知，兩種方法對熱網(wǎng)的計算結(jié)果基本一樣，供熱網(wǎng)的供水側(cè)溫度的相對誤差絕對值在10^-13以下，而管道流量的相對誤差絕對值在10^-11以下。

表11供冷網(wǎng)的供水溫度值對比

表12供冷管道流量對比

表13熱網(wǎng)的供回水溫度值對比

表14供熱管道流量對比

另外，兩種方法對供電網(wǎng)和能源站的計算結(jié)果也基本一樣，統(tǒng)一計算與解耦計算結(jié)果的電壓幅值標幺值的差值在10^-5以下，能源站發(fā)電機有功出力標幺值的差值僅為0.0001。

可見，解耦計算方法和統(tǒng)一計算方法得到的結(jié)果相差都很小，從而驗證了本發(fā)明提出解耦計算方法的正確性。而在計算速度上，解耦計算方法用時0.015301秒，統(tǒng)一計算方法用時0.110776秒，統(tǒng)一計算方法用時是解耦計算方法的7.2倍，可見解耦計算方法能夠有效提高計算速度。

上述實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。